不使用磁铁的高性能马达

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1、不使用磁铁的高性能马达（一）：可产生强静电力的带电体2010/09/30 00:00 以往静电常常被应用于集尘器、碳粉打印机及臭氧发生器等。但因电荷移动导致电荷密度较低，所以应用领域有限。以往静电大多是因为动作带来的静电感应而产生电荷。因此电荷量较少，由此也获得不了较大的力。这也是因为技术人员并没有想过要封存由静电产生的电荷。 本文提及的“带电体工程学”与原来的静电利用方式不同。带电体工程学是在制造带电体时稳定地封入大量电荷。由此电荷密度可提高到 1000 倍以上。因库仑力与电荷量的二次方成正比，所以获得的电力可提高至原来的 100 万倍以上。 由此，库仑力可以成为比磁力更大的力。只要能够保持

2、稳定的带电状态，就可与磁铁一样用于广泛的领域。这便是可制造出高效马达或发电机的理由。 不依赖于材料的物理特性 目前，电磁马达几乎全部利用永久磁铁的磁力。因此，为了提高性能，必须提高永久磁铁的磁通密度。磁力如以下公式所示，与磁通密度的二次方成比例。 公式中的磁通密度就是材料所固有的物理特性。因此，要想提磁通密度，就必须使用属于稀少资源的稀土类金属。 不过，稀土类金属目前存在由中国一家所垄断的问题，而且还出现了中国为抬高价格进行战略性减产的动向。因此，企业对不使用稀土类金属也可提高性能的马达需求强烈。 与这种磁力依赖于物质所固有的磁通密度不同，库仑力依赖于电荷量。库仑力如下式所示，它不依赖于物质本

3、身，而是通过增加电荷量来控制。 关键的一点是库仑力不依赖于物质。下表对永久磁铁和库仑力的发生源电荷进行了比较。不依赖于材料的物理性质，便意味着没有随时间的劣化问题，并可实现物理量的控制。 只要能提高电荷密度就可获得强大的力 带电是指物质带有电荷的状态。但一般来说电荷容易移动，很难持续维持带电的状态。而且还存在湿度越高电荷就越容易向空气中扩散的特性。虽然目前已有使用高分子带电体的显示器方案，但带电量的变化是存在的难点。 以前也有企业曾制成过静电马达。但只是性能较低的产品。产生的库仑力仅为数 N 左右。输出功率低的原因在于无法确保稳定的带电状态。 目前，钕磁铁被公认为磁力最强的永久磁铁，但磁通密度

4、也不过 1 特斯拉左右。1cm 2面积时，磁铁表面只能产生 398N 的磁力。而且磁铁还存在随时间性能变化的问题，因此磁力也会变化。 但电荷在本质上不存在随时间变化的问题。可以说，只要能够实现稳定的高密度带电，得到的库仑力就会不亚于磁力。 在此，我们计算一下在直径 10m 的带电球体上单层涂布 1cm2面积上的库仑力。带电板的间隔为 1mm。下图列出了直径 10m 的带电球上每 1cm3的电荷密度与库仑力之间的关系。虽是面电荷，但是按照假定为点电荷计算的，因此得到的数值要低于实际值。 这里最重要的是 1014个左右的密度范围。这是半导体制造过程中离子注入的一般密度。因此，只要防止离子注入后发生

5、电荷脱离及侵入，便可实现高电荷密度，从而获得大库仑力。 不过，电荷封入绝缘体中时，因电荷会强充电，不移动的电荷会增加。这样会生产强大的排斥力，因此电荷注入存在极限。 可封入电荷的带电体构造 综上所述，为了获得大库仑力，必须用不同于以往的做法来实现高密度的带电体。在此提出两个可实现稳定带电体构造的方案。 第一个是以氧化绝缘体覆盖半导体及金属表面，实现带电稳定化的球体。绝缘体的厚度可由驱动电压来决定。 第二个是向绝缘体本身注入离子的球体。比如，使用石英及陶瓷球体，将离子注入其100nm 以上的深处。这样带电体可透明，并可降低材料成本。 下面来考虑这两种带电体所使用的材料。首先，第一个球体采用表面由

6、氧化物绝缘体覆盖的构造，但用于封入电荷的氧化物绝缘体必须形成大的禁带宽度（带隙，Eg）。具体而言，禁带宽度要达到 6eV 以上。 可以满足这一条件的材料有 Si（SiO 2 Eg8eV) 及 Al（Al 2O3 Eg6eV）。其他候选项还有 Ti 及 Zn，不过是否能够封入电子还不得而知，因此在此不做讨论。另外，Si 及 Al 是丰富的材料，因此不存在资源问题。如果有用其他的能够用 SiO2及 Al2O3覆膜包裹金属的技术的话，还有望扩大材料的选择范围。 在 Si 方面，现已证实其表面氧化后的构造具有可长期保持电荷的性能。如果是 EEPROM，即使氧化膜的厚度为约 3nm 左右，也可保持电子封

7、入状态 10 年以上。因此，如果内部采用 Si，并将 SiO2覆膜设定为 100nm 左右，便有望在 10 年间保持电子稳定封入的状态。 Si 与 SiO2覆膜带电体构造 1带电体构造 2的组合也许是目前电子封入的最佳材料。制造带电体时无需使用结晶物质。虽说一般认为带电体对杂质也不敏感，但尚需要通过实验加以确认。 下面来说一下 Al，Al 的氧化膜也为众所周知的优质绝缘体。但在电子封入性能方面迄今并无研究，需要充分的验证。 第二种绝缘体是注入离子的方法，但如上所述，可封入电荷的是石英及陶瓷等，并不适于像碱性玻璃那样对电而言的低质材料。虽然离子注入深度尽管需要达到 100nm 以上，但离子的注入

8、不会使绝缘体质量下降。 由于以往并无以无机物制造带电体的尝试，因此今后还要充分收集数据。利用石英及陶瓷制造带电体，未必一定要制成球体，还可如下图一样制成自由形状的带电体。（特邀撰稿人：山村 信幸） 可制成自由形状的带电体点电荷间的库仑力从上图可以看出，只要有 1016个/cm 3以上的电荷密度，就可获得比钕磁铁更强的力场。不使用磁铁的高性能马达（二）：带电体的制造方法和带电方法的验证2010/10/01 00:00在上一篇中，笔者介绍了实现高密度带电体后即可产生高库仑力的原理，并提出了可实现高密度带电体的物体。本文将具体介绍一下高密度带电体的制造方法。 有多种方法可实现带电 上一篇谈到，作为以

9、氧化物绝缘体覆盖的球体带电体，Si 具有有效性。球状 Si 已在球面半导体电路及太阳能电池领域实用化。太阳能电池目前使用的是球径为 1mm 的球状 Si。球状 Si 的制造装置一般通过使 Si 从坩埚自由下落来生产球状 Si，减小坩埚滴孔部分的孔径的话，便可制造出粒径较小的球状 Si；增加滴孔的数量的话，还可提高生产效率。在下落途中通过等离子体使 Si球带电，并施加电场的话，便有望按照粒径来进行分类。 作为实现带电的方法，通常会首先想到电子束照射法，这是专门用于带负电的方法。向金属或半导体氧化后形成的球体照射电子束即可。要增加带电量，就必须提高加速电压。而这时必定会发生充电现象（Charge

10、Up），在排斥力的影响下，荷电量存在极限。 图 1：电子束照射法的原理图。球体带负电。第二个是离子注入法，这是专门用于带正电的方法。在半导体领域，离子注入法是一项已知的技术。要想对注入的离子种类进行优化，还需要通过实验来确认。基本上是注入正离子。P 离子注入的话，注入的是 5 价正离子。离子注入也会发生充电现象。电子束照射装置对防止带电体内部的充电现象不起作用。 在半导体制造工序中，在离子状态下也会发生充电现象。这就是要想使离子嵌入 Si 结晶排列，还需要使之活性化的理由。本文以杂质浓度为基准进行的演算显示，离子集中存在于表面附近。这一状态下的离子运动状况只能通过实验来查明。 第三个是掺入杂质

11、进行熔融后照射电子束的方法。首先掺入杂质对硅进行熔融，制造球状硅，并对表面进行氧化。然后直接在内部保持电中和的状态下照射电子束。这样便可注入电子直至最外层电子达到 8 个，从而使杂质拥有满足价数的离子价。 通过上述方法虽然可实现带电，但带电量存在极限。在照射电子束的方法中，带电量可通过对电子进行加速的电场的高低来控制。带电量会在电子无法突破球内电子群所具库仑斥力的地方终结。而离子注入法在注入后无需活性化即可直接以离子状态固定。进行 RTA 处理的话内部的离子分布可实现均匀化，但其效果不得而知。虽然这种方法也会发生充电现象，但离子较重，因此容易获得所希望的浓度。 通过推算库仑力导入最佳方案 下面

12、来具体推算一下带电体具有何种程度的库仑力。假设在杂质浓度为 1016/cm3的情况下，全部进行了离子化。为了便于计算，以直径为 10m 的 Si 球为对象。使该 Si 球带电后，涂布在带电板上。涂布面积为 1cm2，面间距离设定为 1mm。 图 2：推算时使用的模型硅中的杂质(电荷)数量 直径为 10m 的硅球的体积523.6m 3 直径 10m 中的杂数数量(电荷数量)5.23610 6个 1 个硅球的电荷量与距离 1mm 时的斥力 无电荷的电荷量1.60210 -19Coulomb 库仑力Fq1q24r 2 直径为 10m 的硅球的电荷量8.33810 -13Coulomb 直径为 10m

13、 的硅球间的斥力6.32410 -9Newton 面积为 1m2时的电荷量、距离 1cm 时的库仑力及电场强度 （带电板之间的电场强度根据 Gauss 法则在 E=/20 下施加） 与面积为 1m2时相当的总电荷量 8.33810-3Coulomb 距离 1cm 时的电场强度4.73710 8Volts/m 距离 1cm 时的库仑力3.97310 8Newton 在面状带电板上，即使是与点电荷相同的电荷量，库仑力也会呈 5 位数增大。这是因为电力线集中于带电板面间。带电板的库仑力与离子浓度之间的关系如下所示。从该图可以推断，目前的库仑力研究尚处于不到 1010个/cm 3的水平。由于并未封闭电

14、荷，因此电荷会移动、减少，从而使效率下降。 图 3：带电板的库仑力与离子浓度之间的关系从图中可以看出，库仑引力容易提高，电场强度可轻松超过空气的绝缘耐压。而从中便可找到利用库仑力时的最佳方案。首先，一个方案是根据空气的绝缘耐压将电荷浓度设定在 1013左右。不过这并不是说在利用库仑引力时就不必将电荷浓度设定为 1014个/cm 3。电荷浓度的调整也可通过混合高浓度带电的粒子和不带电的粒子来实现。不带电的粒子是绝缘体即可，可以使用高分子及低价材料，还可自由设定能够稳定生产的离子注入量。而在库仑斥力方面，不会因电场相互抵消而发生放电现象，在浓度上没有限制。在需要强力时，最好是只利用斥力。 水分子离

15、子是难敌对手下面来研究一下带电材料的使用方法。由于同电位带电的球体具有斥力，因此在保存及面状涂布时需要下一番工夫。 在保存在瓶状容器中时，带电体会在斥力下反弹而浮于空中。杂质浓度在每 1cm3为 1016个时，5m Si 粒子的上下距离以 0.26mm 最为合适。由于水平方向上的距离设定为无限远，因此具有适于保存的带电量。也许需要采取使容器保持逆电位来进行保存的手段。 在涂布方面，粒子因库仑斥力的缘故而难以多层化，基本以单层涂布为主。在与带电粒子保持逆电位的面上进行散布后，利用强力粘合剂固定。必须在粘合剂硬化前保持正电位。估计在树脂中嵌入带电体的板材等也很实用。 图 4：带电体的树脂封装法示例

16、无论制造时还是使用时，都需要注意可动电荷，尤其是水分子离子的吸附现象。正如高湿度下难以实施静电实验一样，湿气是静电的大敌。带电体表面附带有水分子的话就会被离子化，使带电体的总电荷量降低。即使将带电体封闭起来，也同样存在起因于电荷易于移动这一特性的弱点。制造时需要在干燥氮气环境下进行，封装时也要在干燥氮气中操作。水分子的存在不仅会使库仑力下降，而且还会导致空气的绝缘破坏电压下降。这种水分子离子的吸附可能成为难以对带电体加以应用的原因。作为对策，可以采取双层密封、采用除湿材料或强制除电等多种手段。对易于移动的电荷进行处理的带电体工程学，实际上就是针对外部可动电荷的一场拉锯战。 （特邀撰稿人：山村 信幸）不使用磁铁的高性能马达（三）：从马达到轴承的广泛应用2010/11/08 00:00 上篇中对于可产生高库仑力的高密度带电体的可能性，包括制造方法在内进行了验证。高密度带电体能够制造出来的话，目前